•2025年09月
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PostgreSQL 18 异步 I/O 调优：使用 io_uring 优化高并发 OLTP 工作负载的吞吐量和延迟

PostgreSQL 18 引入异步 I/O 框架，通过 io_uring 实现高效 I/O 处理。本文讨论针对高并发 OLTP 场景的调优策略，包括 GUC 参数设置、内核优化和监控要点，以提升吞吐量并降低延迟。

在高并发在线事务处理（OLTP）工作负载中，PostgreSQL 数据库常常面临 I/O 瓶颈，尤其是读取操作的同步阻塞会导致 CPU 空闲和整体吞吐量下降。PostgreSQL 18 版本引入了全新的异步 I/O（AIO）框架，支持 io_uring 等高效机制，这为优化高并发场景提供了强大工具。通过合理调优，可以显著提升吞吐量并降低延迟。本文将从配置启用、参数调整、内核优化以及监控实践等方面，提供可落地的调优指南，帮助 DBA 和开发人员在 OLTP 环境中充分发挥 async I/O 的潜力。

异步 I/O 在 PostgreSQL 18 中的核心优势

传统 PostgreSQL 的 I/O 操作是同步的，每次读取请求都需要等待磁盘返回数据，这在高并发 OLTP 场景下尤为突出。例如，在处理大量小事务时，频繁的随机读取会放大 I/O 延迟，尤其是在云环境中的网络存储（如 AWS EBS）上，单次读取可能耗时数毫秒。异步 I/O 的引入允许数据库并发发出多个读取请求，而无需阻塞主进程，从而隐藏 I/O 延迟，提高 CPU 利用率。

证据显示，在读取密集型 OLTP 查询中，启用 async I/O 可将性能提升 2-3 倍。这得益于框架对顺序扫描、位图堆扫描和 VACUUM 操作的异步读取支持。对于 OLTP 工作负载，虽然当前仅限于读取（异步写入仍在开发中），但这已足以缓解查询中的 I/O 等待事件，如 IO DataFileRead，进一步提升 TPS（Transactions Per Second）。

要落地这一优势，首先需确认系统环境：PostgreSQL 18 运行在 Linux 内核 5.1+ 上，支持 io_uring 的文件系统（如 ext4 或 XFS）。如果内核版本较低，可回退到 worker 模式，但 io_uring 是推荐选择，因为它通过共享环形缓冲区最小化系统调用开销。

启用 io_uring 和 GUC 参数调优

启用 async I/O 的第一步是在 postgresql.conf 中设置 io_method 参数。该参数控制 I/O 实现方式，支持 sync（默认同步）、worker（后台工作进程）和 io_uring（内核异步接口）。对于高并发 OLTP，优先选择 io_uring：

io_method = io_uring  # 需要重启生效

接下来，调优并发相关参数。io_max_concurrency 定义每个进程的最大异步 I/O 句柄数，建议设置为 -1，让数据库基于 shared_buffers 自动计算（通常为 shared_buffers / 8KB 的值）。在 OLTP 环境中，如果 shared_buffers 为 16GB，则 io_max_concurrency ≈ 2000，但需监控内存使用，避免过度分配导致启动失败。

effective_io_concurrency 参数控制预读请求的并发度，默认 0（禁用）。对于高并发 OLTP，设置为 200-500，根据 I/O 子系统能力调整。例如，在配备 NVMe SSD 的服务器上，可设为 300 以并行化随机读取；云环境中若 IOPS 配额为 20000，则可上调至 500，提升吞吐量。

maintenance_io_concurrency 与之类似，用于维护操作如 VACUUM，在 OLTP 中可保持与 effective_io_concurrency 一致，通常 300。

合并 I/O 请求以减少开销：io_combine_limit 和 io_max_combine_limit 控制请求合并阈值，建议 256kB（约 64 个 4KB 块）。这在 OLTP 的小块随机读中特别有效，能将多个小请求合并为大块 I/O，降低内核调度负担。

io_workers 参数仅在 worker 模式下生效，控制后台进程数，OLTP 场景建议 4-8，根据 CPU 核心数调整。如果使用 io_uring，此参数无效。

完整示例配置（postgresql.conf 片段）：

# I/O 配置
io_method = io_uring
io_max_concurrency = -1
effective_io_concurrency = 300
maintenance_io_concurrency = 300
io_combine_limit = 256kB
io_max_combine_limit = 256kB
shared_buffers = 8GB  # 影响 auto io_max_concurrency

重启 PostgreSQL 后，通过 pg_settings 视图验证：SELECT name, setting FROM pg_settings WHERE name LIKE 'io_%';。如果 io_method 未生效，检查内核支持：grep CONFIG_IO_URING /boot/config-$(uname -r) 应显示 y。

内核参数优化以支持 io_uring

io_uring 的性能依赖内核调优。在高并发 OLTP 中，内核默认设置可能限制队列深度或禁用功能。编辑 /etc/sysctl.conf 并应用 sysctl -p：

  • kernel.io_uring_disabled = 0：确保 io_uring 启用（某些安全配置可能禁用）。
  • vm.dirty_ratio = 10：降低脏页比例，避免写回阻塞读操作。在 OLTP 中，读多写少，此设置可优先保障读取吞吐。
  • vm.swappiness = 1：最小化交换，防止 I/O 竞争。
  • fs.nr_open = 1048576：增加文件描述符上限，支持高并发句柄。
  • 对于 io_uring 特定：通过 prlimit 或 ulimit 设置进程级 I/O 环深度，如 ulimit -n 65536。

在云环境中，如 AWS EC2，额外优化 EBS 卷：启用 io2 块类型，提供高 IOPS（至少 10000），并监控 CloudWatch 的 VolumeQueueLength < 1 以确保无队列积压。

测试调优效果：使用 pgbench 模拟 OLTP 负载（pgbench -c 100 -j 16 -T 300），比较前后 TPS 和平均延迟。预期 io_uring + 调优后，TPS 提升 30-50%，p99 延迟降低 20%。

监控和最佳实践

监控是调优的闭环。PostgreSQL 18 新增 pg_aios 系统视图，实时显示异步 I/O 状态：

SELECT pid, io_id, state, operation, length, target_desc FROM pg_aios;

关注 state（如 SUBMITTED、COMPLETED）和 result（UNKNOWN 表示 pending）。在高并发 OLTP 中，如果大量 IO 卡在 WAITING，需降低 io_max_concurrency。

扩展监控：使用 pg_stat_database 查看 blk_read_time，目标 < 10% 总执行时间。集成 Prometheus + pg_exporter，警报 I/O 等待事件 > 5%。

最佳实践清单：

  1. 基准测试：在生产-like 环境中逐步调优，从 baseline sync 模式开始，逐步启用 io_uring。
  2. 资源隔离：OLTP 集群中，专用 I/O 亲和性 CPU 核心，避免干扰。
  3. 回滚策略：如果 io_uring 导致不稳定，回退到 worker 模式（io_method = worker, io_workers = 4）。
  4. 版本兼容：确保所有从库也启用相同配置，支持逻辑复制。
  5. 云优化：在 Kubernetes 中，使用 io_uring 需挂载支持的存储类；监控 pod I/O 限额。

风险控制：io_uring 在高负载下可能引入新错误，如 EAGAIN（队列满），通过日志监控 /var/log/postgresql 中的 AioIoCompletion 事件。过度并发可能耗尽 fd（文件描述符），设置 ulimit -n 监控。

结论

通过 io_uring 和内核参数的调优，PostgreSQL 18 的 async I/O 可将高并发 OLTP 工作负载的吞吐量提升至新高度，同时显著降低延迟。上述参数和实践并非一刀切，建议结合具体硬件和负载进行迭代测试。未来版本将支持异步写入，进一步完善框架。对于当前部署，立即启用 io_uring 是提升 I/O 效率的低成本高回报路径。

（本文约 1200 字，基于 PostgreSQL 18 官方文档和基准测试经验撰写。）